中国科学家揭示钴酸锂在高电压下的原子尺度失效机制

中新网北京6月24日电 (记者 孙自法)如何研发长寿命、高电压电池，让手机、无人机、笔记本电脑、智能穿戴设备等终端电子产品实现更长续航，一直以来广受关注。

首次从原子尺度揭示

来自中国科学院金属研究所的最新消息说，该所王春阳研究员团队借助原子级超分辨透射电子显微成像技术，像给电池材料拍下一张张“逐原子特写”一样，首次捕捉到钴酸锂正极在5伏极端高电压下的“内伤”全过程。

极端高电压下钴酸锂原子尺度失效机制的示意图。中国科学院金属研究所 供图

这项研究首次从原子尺度揭示极端高电压工况下钴酸锂的结构失效起源，拓展了层状正极材料的失效理论，为下一代高比能层状氧化物正极材料的结构设计和性能优化，提供了新的理论依据和技术方案。相关成果论文近日在国际专业学术期刊《美国化学会志》发表。

研究团队介绍，提升电池正极材料的工作电压、释放更高储能，是当前电池研发最关键的技术路径。业界公认，将锂电充电电压提升至5伏超高平台，能大幅释放电池能量潜力。

然而，5伏电压也是正极材料面临的极端工况极限，与此同时，现有商用正极材料在超高电压下的失效机制尚缺乏科学解释，是目前制约高比能电池技术迭代的核心科学问题。

钴酸锂是目前消费类锂离子电池中应用最广泛、最成熟的正极材料。当前商业化钴酸锂充电电压普遍为4.4伏左右，若将工作电压提升至5伏，材料有效储能可提升近50%，可有效满足终端电子产品对长续航、高容量的迫切需求，但超高电压会剧烈加剧钴酸锂结构劣化，导致性能快速衰减。

过去30年间，基于常规工况下的认知，学界普遍将钴酸锂高压失效归因于表面氧流失以及与之相关的传统结构相变，等同于将材料退化视作“表层晒伤”。

“力学+化学”双管齐下

在本项研究中，王春阳团队依托原子分辨率透射电子显微镜这一“超级放大镜”，对5伏高压充电过程中的钴酸锂材料开展精细的原子尺度诊断。研究表明，极端高电压下的正极失效并非仅是表面氧流失和传统相变，材料内部应力诱发的晶格变形损伤才是核心。

具体而言，深度脱锂产生的巨大电化学应力，会驱动原本规整有序的层状晶格发生剪切滑移，如同整齐排列的扑克牌被横向推散重构，最终形成“纳米马赛克”结构。与此同时，晶格弯曲、扭折等多重变形同步产生，诱发大量纳米级微裂纹。更致命的是，在电池循环过程中，晶格变形与表面失氧耦合发生，在材料表面形成此前从未被发现的多层“夹心式”退化结构，既阻碍锂离子传输，又加剧应力集中，从而形成材料退化的恶性循环链。

基于这一全新机理认知，研究团队提出“力学+化学”双管齐下的协同优化新思路：在体相引入镁离子掺杂，为晶体骨架加装刚性支撑，有效提升晶格抗变形能力；在表面引入含硫修饰层，稳固材料表面的氧骨架。

研究结果显示，在5伏高压循环10圈后，普通商用钴酸锂容量保持率仅为67.73%，而改性材料的容量保持率提升至83.93%，实现马赛克相变、堆垛缺陷及微裂纹等被显著抑制，充分验证了力学-化学协同调控策略对突破高压电池性能瓶颈的有效性。(完)